Une équipe de l'Université de Hambourg, de l'Université de Toulouse, en collaboration avec le Centre allemand de rayonnement synchrotron (DESY) et l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), a pour la première fois utilisé des méthodes de rayons X à résolution temporelle pour capturer en temps réel le processus complet de formation de nanostructures de sulfure de fer en solution, allant des précurseurs moléculaires à des nanofeuillets ultraminces. Cette étude, en observant in situ la voie réactionnelle, révèle les étapes intermédiaires de croissance des matériaux métastables, fournissant un soutien théorique clé aux mécanismes de synthèse des nanomatériaux. Les résultats connexes ont été publiés dans le « Journal of the American Chemical Society ».
Les composés de sulfure de fer (comme Fe₃S₄) attirent une attention considérable dans les domaines des matériaux énergétiques et de la recherche géologique en raison de leurs propriétés magnétiques et électroniques uniques. Cependant, les mécanismes dynamiques de formation de leurs nanostructures lors de la synthèse chimique sont longtemps restés obscurs. L'équipe internationale dirigée par la professeure Dorota Koziej de l'Université de Hambourg, s'appuyant sur le projet intégrateur ERC LINCHPIN, a combiné les sources de rayons X à haute énergie de l'ESRF et du DESY pour développer des techniques de pointe telles que la vtc XES. Dans des conditions réactionnelles réelles et à haute température, elle a réalisé pour la première fois un suivi en temps réel de la croissance des nanofeuillets de sulfure de fer. L'équipe a surveillé simultanément les changements de structure réactionnelle, d'état d'oxydation du fer et d'environnement de liaison chimique, découvrant que le matériau cible ne se forme pas directement. Il passe plutôt par un intermédiaire lamellaire de sulfure de fer à courte durée de vie, subissant une croissance préférentielle bidimensionnelle et des étapes de transformation topologique, pour finalement former des nanofeuillets ultraminces présentant une structure nanofeuilletée plissée.
« Nous avons entièrement résolu chaque étape de la réaction – de la réduction initiale du composé de fer à la formation définitive de la nanostructure », a souligné le Dr Cecilia Zito, « ce résultat repose sur l'application conjointe du synchrotron et de cellules de mesure sur mesure. » Le Dr Lars Klemeyer a ajouté : « L'analyse multimodale nous a permis d'observer pour la première fois l'évolution dynamique des phases intermédiaires, ce qui est crucial pour comprendre la cinétique de croissance des nanomatériaux. »
Cette étude approfondit non seulement la compréhension des mécanismes de formation des nanofeuillets de sulfure de fer, mais révèle également le rôle déterminant des étapes intermédiaires et de la cinétique de croissance sur la morphologie finale des nanomatériaux. Ces découvertes fournissent des orientations théoriques pour la conception ciblée de dispositifs de stockage d'énergie efficaces, de catalyseurs et de matériaux fonctionnels, tout en offrant de nouvelles perspectives pour l'étude des mécanismes de formation des minéraux sur la Terre primitive. De plus, le potentiel des techniques d'analyse in situ par rayons X multimodales est validé et pourrait à l'avenir être étendu à l'étude des processus dynamiques d'autres systèmes de matériaux.
Détails de la publication : Auteurs : Cecilia A. Zito et al., Titre : « In Situ X‑ray Synchrotron Studies Uncover Nucleation and Topotactic Transformation of Iron Sulfide Nanosheets », Publié dans : « Journal of the American Chemical Society » (2025). Informations sur la revue : « Journal of the American Chemical Society »
